热聚合硫氰酸铵制备多孔 g-C3N4纳米片及其可见光催化分解水制氢性能

二维层状半导体材料与其体相堆积结构相比表现出独特的性质,有望在纳米材料科学领域取得新的突破.基于对太阳能利用的研究,二维半导体光催化材料引起了研究者的广泛关注.诸多半导体材料已被设计合成二维纳米片结构应用于光催化领域,如 MoS2, WS2, SnS2和TiO2等.石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种典型的非金属二维聚合物半导体.二维层状结构的组成使得 g-C3N4纳米片能够表现出优异的光电性质.然而,其合成目前仍然存在很大困难.目前已报道的单层或多层 g-C3N4的制备主要有超声辅助溶剂剥离法、热处理法、插层法和电化学合成法等.但这些方法存在合成复杂和引入结构缺陷等不足.另外,在体相组成中插入孔结构也能够提高 g-C3N4的光催化活性.目前常用的方法主要是模板法.然而,在这些生孔过程中往往引起聚合度降低,增加长程无序度,不利于光生载流子的传输.因此,如果将多孔结构引入 g-C3N4纳米片,同时提高其聚合度结构,将在很大程度上提高其光催化性能.本文利用直接氨气热聚合的方法,将硫氰酸铵进行高温热处理,一步法合成出较高聚合度的多孔 g-C3N4纳米片,在可见光照射下表现出较高的产氢活性和稳定性.采用 X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、荧光光谱(PL)和电子顺磁共振(EPR)等方法对多孔 g-C3N4纳米片结构进行了详细表征.在助催化剂 Pt存在下,采用可见光照射(>420 nm)分解水产氢的方法评价了其光催化性能.结果表明,热处理温度对产物结构及性能具有较大影响. XRD结果表明,在450oC热处理,硫氰酸铵未完全聚合,与前期氮气热处理的结论不同.当热聚合温度上升至500oC,石墨相结构形成.至600oC时,石墨相的层间距缩小,且聚合度没有明显下降.这表明氨气气氛抑制了原料分解,提高了分解聚合温度,同时增加了产物的聚合度. FTIR结果表明,热聚合温度对产物 C–N共轭结构改变不大,但在810 cm–1处的峰位向长波数移动,表明七嗪环单元含量增加,再次证明高的热聚合温度没有造成明显的结构分解,反而促进了聚合结构的形成.扫描电镜与氮气吸脱附分析表明,随着聚合温度升高,产物粒子尺寸变小,形貌呈现层状分布,并伴随多孔状的产生,因此比表面积和孔体积显著增大,吸收带边发生蓝移. PL和 EPR结果表明,聚合温度从500增至600oC,样品光生载流子的复合速率下降,导带离域电子密度增加,从而有利于光催化性能的提高.光解水产氢性能测试表明,聚合温度升高有利于催化剂产氢速率提高;600oC所得样品的产氢速率达340μmol/h.进一步分析表明,产氢速率与比表面积基本成正相关关系,说明层状多孔结构的形成是影响产氢性能的重要因素.经过多轮循环测试,其产氢性能保持稳定而没有显著下降,表明其活性稳定性良好.     

钴、碳共掺杂氮化碳的制备及其光催化分解水产氢性能

针对氮化碳可见光利用率低和在光催化过程中光生电子与空穴易于复合的缺点,通过钴、碳共掺杂提升其光催化性能。以尿素为前驱体,维生素B12（VB12）为钴源和碳源,将二者的混合物进行一步煅烧,制备钴、碳共掺杂氮化碳（CNCoC）。结果表明,钴、碳共掺杂对氮化碳的微观形貌、骨架结构和官能团都没有造成明显影响;但是增大了产物的比表面积,调节了产物的能带结构,增加了其对可见光的吸收。更重要的是,相比于单一元素碳的掺杂,钴、碳共掺杂具有协同作用,能够更有效地提升光生电子和空穴的分离和传递效率。因此,加入6 mg VB12制备的CNCoC-6的可见光光催化分解水产氢速率达到了56.1 μmol·h^-1,是纯氮化碳（CN）的3.05倍;而碳掺杂氮化碳（CNC-6）的产氢速率仅为CN的2.55倍。     

双助剂促进g-C3N4光解水制氢性能

氢能是最具应用前景的清洁能源之一,利用太阳能作为驱动力光催化水分解制取氢气已被广泛研究.作为非金属半导体光催化剂, g-C_3N_4具有合适的能带结构(2.71 eV),良好的可见光捕获能力和物理化学稳定性,因而有一定的光催化产氢能力;但是它具有可见光吸收能力(470 nm)不够、光生电子空穴容易复合等缺点,使其光催化制氢能力受到了极大限制.通过助剂修饰可有效促进载流子分离,增加反应活性位点及加速产氢动力学.因此,本文采用双助剂改性以提高g-C_3N_4的光催化制氢性能.本文首先采用原位煅烧法将银纳米粒子(AgNPs)沉积在g-C_3N_4表面(Ag/g-C_3N_4),随后利用水热法成功地将硫化镍(NiS)负载在Ag/g-C_3N_4复合材料表面.XRD, FT-IR, XPS和TEM结果表明,通过原位煅烧和水热合成法可以成功地将Ag和NiS均匀、稳定沉积在g-C_3N_4表面,并且g-C_3N_4保持原有结构不变.紫外可见吸收光谱(UV-Vis)、瞬态光电流、阻抗(EIS)和光致发光谱(PL)分析表明, AgNPs和NiS的引入不仅改善了体系的光吸收范围和强度,而且显著提高了体系光生电子和空穴的产生、分离性能,有助于提高光子利用效率.其中三元样品的最高光电流可以达到2.94′10–7 A·cm~(–2),是纯g-C_3N_4的3.1倍.对系列光催化剂的分解水制氢性能测试发现(采用300 W氙灯作为光源,三乙醇胺作为牺牲剂), 10wt%-NiS/1.0wt%-Ag/CN样品具有最优异的光催化分解水制氢性能,产氢速率可达9.728 mmol·g–1·h–1,是纯g-C_3N_4的10.82倍,二元10wt%-NiS/CN的3.45倍, 1.0wt%-Ag/CN的2.77倍.三元样品反应前后的XRD特征峰位置没有发生变化,循环四次后样品仍具有83%的催化活性,证明其具有良好的制氢稳定性.10 wt%-NiS/1.0 wt%-Ag/CN样品在可见光下(λ 420 nm)的制氢量子效率为1.21%.三元体系光催化产氢性能增强的原因在于:(1)Ag纳米颗粒的局域表面等离子体效应使得三元体系的光捕获能力得到提高;(2)Ag NPs和NiS负载在g-C_3N_4上共同促进了光生电子空穴的产生和分离;(3)Ag NPs和Ni S作为优良的析氢助催化剂沉积在g-C_3N_4表面上可以有效地提高产氢动力学.本文构建的NiS/Ag/g-C_3N_4复合体系为g-C_3N_4基复合光催化剂的设计及制备提供了新的思路.     

Co（Ⅱ）-空穴和Pt-电子助催化剂协同作用增强P掺杂g-C3N4光催化产氢性能（英文）

石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种新型的有机半导体材料,具有独特的层状结构、合适的能带位置、简单的制备方法以及出色的稳定性等特点,因而被广泛应用于光催化产氢领域.但是,较高的光生载流子的复合率和受限的迁移率大大地限制了g-C3N4的光催化产氢性能.目前,大量的研究证实块状g-C3N4的液相剥离、表面改性、元素掺杂、与其他半导体复合构筑异质结以及负载助催化剂等方法可以在一定程度上提高g-C3N4的光催化产氢性能.但是单一的g-C3N4改性方法往往并不能获得最理想的光催化产氢性能,因此,本文采用低温磷化法制备了二价钴(Co(II))修饰的磷(P)掺杂的g-C3N4纳米片(Co(II)/PCN),同时实现了掺杂P原子和负载空穴助催化剂Co(II),该催化剂表现出出色的光催化产氢性能.在光催化制氢过程中,铂(Pt)纳米颗粒作为电子助催化剂成功的负载在Co(II)/PCN上.光催化实验结果表明,最佳的Pt/Co(II)/PCN复合材料光催化产氢速率达到774μmol·g^?1·h^?1,比纯相的g-C3N4纳米片(89.2μmol·g^?1·h^?1)提升8.6倍.同时优化的光催化剂具有良好的光催化稳定性,并在402 nm处具有2.76%的量子产率.XRD,TEM,STEM-EDX和AFM结果证明,成功制备了纳米片状形貌的g-C3N4及其复合材料,催化剂中均匀的分布着Co和P元素.通过XPS证明了P-N的存在以及Co(II)的存在,并且Co(II)是以一种无定型的CoOOH的形式吸附在g-C3N4表面.光照后的TEM证明Pt颗粒成功的负载在Co(II)/PCN表面.UV-vis DRS表明,由于P的掺杂以及Co(II)的修饰,Co(II)/PCN相比于g-C3N4纳米片在可见光区域光吸收有了明显的增强.通过稳态和瞬态光致发光光谱分析,同时结合电化学分析表征(i-t、EIS)以及电子顺磁共振技术分析,证实了Co(II)/PCN高效光催化性能的原因可能是由于更高效的光生载流子分离效率.本文对Pt/Co(II)/PCN可能的光催化增强机理提出了设想.P的掺杂可以优化g-C3N4的电子结构,提高其光生载流子分离效率.而以Pt作为电子助催化剂,可以有效地捕获P掺杂的g-C3N4导带中的光生电子,进而发生水还原产氢反应;以Co(II)作为空穴助催化剂,可以捕获价带中的光生空穴,进而发生三乙醇胺氧化反应.通过采用不同功能的助催化剂,实现P掺杂g-C3N4光生电子空穴的定向分流,促进了P掺杂g-C3N4的光生载流子的分离,从而提高催化剂的光催化产氢性能.本文可以为设计具有空穴-电子双助催化剂的光催化产氢系统提供一个新的思路.     

C-N共掺杂纳米TiO2的制备及其光催化制氢活性

采用TiCN粉末在空气气氛中不同温度下焙烧制得C-N共掺杂的纳米TiO2光催化剂. 利用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)以及X射线光电子能谱(XPS)等手段对其进行了表征. XRD和XPS结果表明, TiCN中的C和N元素可以被O取代得到C-N共掺杂的TiO2. DRS结果表明, 所制得的C-N共掺杂的TiO2在可见光区域比P25表现出更强的光吸收性能. 以Na2S-Na2SO3体系为牺牲剂, 分别考察了不同温度下焙烧得到的C-N共掺杂的TiO2光催化分解水产氢的活性. 结果表明, 550 ℃焙烧得到的C-N共掺杂的TiO2在紫外光照射下具有最高的光解水产氢活性,产氢速率为41.1 μmol·h-1, 大于P25的光解水产氢活性(26.2 μmol·h-1). 在紫外-可见光照射下, 光解水产氢速率仅为0.2 μmol·h-1, 这可能是由于C-N掺杂引起的可见光范围的吸收对光催化分解水产氢活性的贡献较小.     

氧掺杂对VN-g-C3N4催化剂光催化固氮性能的影响

采用介质阻挡放电等离子体法合成了氧原子掺杂的具有氮空穴的石墨相氮化碳催化剂(g-C₃N₄), 并对催化剂的结构和形貌进行了表征分析. 结果表明, 等离子体处理没有改变催化剂的形貌, 并同时将氮空穴和氧原子引入了g-C₃N₄的晶格. 在可见光条件下, 制备的共掺杂g-C₃N₄催化剂的铵离子产率高达5.9 mg·L ^-1·h ^-1· {\mathrm{g}}_{\mathrm{cat}}^{-1} , 分别是具有氮空穴的g-C₃N₄和纯g-C₃N₄的2.2倍和20倍, 同时还表现出优异的催化稳定性. 密度泛函理论计算结果显示, 与具有氮空穴的g-C₃N₄相比, 氧原子的引入能提高氮空穴对反应物氮气分子的活化能力, 提高光催化固氮性能.     

硼碘共掺杂氮化碳的制备及光解水制氢性能

以三聚氰胺为原料, 氧化硼为硼源, 碘化铵为碘源, 采用一步煅烧法合成了硼、 碘共掺杂氮化碳催化剂(CNBI). 利用X射线衍射仪、 透射电子显微镜、 傅里叶变换红外光谱仪、 X射线光电子能谱仪、 紫外-可见光分光光度计及电化学工作站等对样品进行表征和分析, 利用可见光照射下光解水制氢反应来评价其催化性能. 研究结果表明, B, I元素均匀分散掺杂入氮化碳共轭骨架形成B, I共掺杂CN半导体材料. 相比于未掺杂材料CN, B, I共掺杂CN样品禁带宽度略微降低, 光吸收能力增强, 光生电子-空穴对的分离效率提高, 这主要归因于B, I元素的电负性差异有助于氮化碳光生电子和空穴的重新分散. 共掺杂样品CNBI(0.1, 0.3)具有最佳光解水制氢性能, 在可见光照射下产氢速率达104.3 μmol/h, 分别是纯CN(22.74 μmol/h)的4.6倍, B掺杂氮化碳CNB(0.1)(51.92 μmol/h) 的2.0倍及碘掺杂氮化碳CNI(0.3)(33.37 μmol/h) 的3.1倍.     

C-I共掺杂多孔g-C_3N_4光催化分解水制氢（英文）

氢气是一种可替代传统燃料的理想清洁能源,利用光催化技术分解水制氢是制取氢气的有效途径之一。无机半导体光催化材料具有较高的活性和稳定性,且原料丰富,易加工改性.目前针对光催化技术的应用,大量的研究工作都集中在开发可见光响应光催化剂,以提高对可见光的利用率.同时,非金属聚合物半导体因其特殊的光电性质,在光催化应用研究中越来越受到关注,如庚嗪基微孔聚合物(HMP)和共价三嗪基骨架(CTF).石墨相碳化氮(g-C_3N_4)是一种典型非金属二维聚合物半导体,被认为是一种非常有价值的光催化材料.然而,其较低的光生电子的传输效率限制了其实际应用,因此诸多研究对g-C_3N_4的物理化学结构进行优化,如半导体耦合、共聚合、纳米结构设计和掺杂.非金属掺杂是一种有效的方法,由于原子电负性差异引起的电荷分离可有效改善载流子传输效率,且保持半导体的非金属性质.通过O,B,P和S等掺杂可以扩大可见光响应范围,并调节能带位置以改善光催化活性.除了常见的单一非金属掺杂,金属和非金属元素或多非金属元素共掺杂的办法同样可提高g-C_3N_4的光催化性能.本工作通过两步法对双氰胺、尿素和碘化1-乙基-3-甲基咪唑的混合物直接热聚合,合成C-I共掺杂的多孔g-C_3N_4,其在可见光照射下表现出较高的产氢活性和稳定性.采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、荧光光谱(PL)和电化学实验等方法对多孔掺杂g-C_3N_4结构进行详细表征和分析.在助催化剂Pt和电子牺牲剂(三乙醇胺)存在的条件下,采用可见光(400 nm)照射分解水产氢的方法评价其光催化活性.结果表明,后热处理和碘离子液掺杂对g-C_3N_4材料的结构和性能具有较大影响.C-I共掺杂和后热处理使催化剂产物颗粒尺寸减小,形成多孔片层状紧密堆积,比表面积和孔隙率显著增加,吸收带边发生蓝移.后热处理使样品层间距减小,聚合度增加,有利于电荷传输,C-I共掺杂后出现更多的缺陷,但没有改变其层状堆积的特性.XPS结果表明,样品中碘元素以I~-和I~(5+)的形式存在,改性后催化剂C/N比明显增加,sp~2芳环N含量增加,表面氨基含量降低,表明后热处理和C-I共掺杂没有改变多孔g-C_3N_4的基本骨架,共轭结构更加完善.PL和光电流结果表明,改性后样品的PL强度均显著降低,并且随着掺杂量的增加而逐渐降低,表明共掺杂可抑制光生电荷的复合.电化学测试结果表明,后热处理和C-I共掺杂的样品界面电荷转移电阻降低,导电率和电荷迁移率增加,从而有助于提高光催化性能.光解水产氢性能测试表明,后热处理和C-I共掺杂有利于催化剂产氢速率的提高,改性后CNIN_(0.2)的产氢速率达168.2μmol/h,是纯氮化碳的9.8倍.经过多次循环测试,其产氢性能保持稳定而没有显著下降,表明其产氢稳定性较好.     

Pt2+/Pt0掺杂g-C3N4光催化降解环丙沙星和偶氮染料

以三聚氰胺和氯铂酸(H2PtCl6·6H2O)为原材料,采用简单一步煅烧法制备了不同含量的Pt^2+/Pt^0掺杂石墨相氮化碳(Pt^2+/Pt^0-CN)。运用扫描电镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、X射线粉末衍射、N2物理吸附-脱附、紫外-可见漫反射光谱和光电流测试等技术对制备的样品的形貌、化学组成、晶体结构、比表面积和光电性能等物理化学性质进行了表征。由XPS可知Pt粒子以二价Pt和零价Pt掺杂在催化剂的表面和内部,其中Pt^0与Pt^2+的比约为1∶7.26。与g-C3N4相比,Pt^2+/Pt^0-CN表现出高效的光催化降解活性。当Pt^2+/Pt^0理论负载质量分数为0.02%时,对环丙沙星、罗丹明B、酸性橙Ⅱ、甲基橙和亚甲基蓝的降解效率分别提升了43%、64%、39%、42%和52%。Pt^2+/Pt0掺杂使催化剂的比表面积大幅度增加,同时增强光催化剂对光的吸收能力,并抑制光生电子(e^-)和空穴(h^+)的复合。     

ZnIn2S4@CNO多级纳米片用于光催化分解水制氢和还原CO2（英文）

光催化分解水制氢和还原CO2是太阳能利用领域的研究热点,对清洁能源的转化具有重要意义.石墨相氮化碳(CN)作为一种非金属半导体,是一种非常有开发潜力的光催化材料.然而限于其聚合物本质,光催化效率仍有待进一步提高.原位非金属掺杂可以利用元素电子结构调控电荷分布,优化光生电荷传输性能.同时,半导体复合,尤其是2D层状复合结构的构筑,可充分发挥2D半导体的优势,合适的能带交错有利于光生电荷的传输,可在一定程度上加速催化反应的进行.本文首先以草酸为氧掺杂源,采用二步煅烧法合成氧掺杂氮化碳纳米片催化剂(CNO).在二次煅烧和氧掺杂共同作用下,增大了CN层间距和多孔性,颗粒尺寸减小,同时增强了对光的吸光性,拓展了可见光吸收范围.接下来采用一步水热合成法得到ZnIn2S4@CNO(ZC)复合材料,在可见光照射下通过分解水制氢和CO2还原反应对复合材料进行光催化还原性能评价.采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、荧光光谱(PL)、光电化学测试等方法对ZC进行详细的结构表征和分析.XRD和XPS结果表明,经过一步直接水热可得到层状ZC复合材料,高倍TEM进一步证实二者形成均一的2D异质复合材料.N2-吸附-脱附曲线表明,复合材料具有较大的比表面积和均一的孔结构分布,主要得益于O掺杂CNO纳米片的多孔性结构.光电性质测试结果表明,相比于CNO,复合材料具有降低的荧光发射强度和延长的荧光寿命,表明复合产物显著抑制了光生电荷的复合.电化学测试进一步表明,复合异质结的构筑有利于光生载流子的产生,同时降低了界面电荷转移电阻,提高了电荷迁移速率.因此,多孔2D异质结构的构筑对促进CN基半导体光催化还原具有重要作用.在可见光照射下(λ>400 nm),复合材料表现出优异的光催化还原性能,且随着CNO含量的增加催化活性不断提高,其中ZC 40%(CNO质量比40%)具有最佳的催化活性,其产氢速率达188.4μmol/h,约是ZnIn2S4和CNO的2.1倍.同时,光催化还原CO2测试表明,复合材料具有显著提高的CO和CH4产率,其中CO为主要反应产物.ZC40%的CO产生速率为12.69μmol/h,分别是ZnIn2S4和CNO的2.2倍和14.0倍.对催化剂进行连续光反应,结果表明,复合催化剂具有优异的结构稳定性和活性稳定性,能够持续发生光还原反应制取H2和CO.     

Integrating non-precious-metal cocatalyst Ni3N with g-C3N4 for enhanced photocatalytic H2 production in water under visible-light irradiation

Photocatalytic H₂ production via water splitting in a noble-metal-free photocatalytic system has attracted much attention in recent years. In this study, noble-metal-free Ni₃N was used as an active cocatalyst to enhance the activity of g-C₃N₄ for photocatalytic H₂ production under visible-light irradiation (λ > 420 nm). The characterization results indicated that Ni₃N nanoparticles were successfully loaded onto the g-C₃N₄, which accelerated the separation and transfer of photogenerated electrons and resulted in enhanced photocatalytic H₂ evolution under visible-light irradiation. The hydrogen evolution rate reached ～305.4 μmol h^?1 g^?1, which is about three times higher than that of pristine g-C₃N₄, and the apparent quantum yield (AQY) was ～0.45% at λ = 420. Furthermore, the Ni₃N/g-C₃N₄ photocatalyst showed no obvious decrease in the hydrogen production rate, even after five cycles under visible-light irradiation. Finally, a possible photocatalytic hydrogen evolution mechanism for the Ni₃N/g-C₃N₄ system is proposed.     

Rational design of ternary NiS/CQDs/ZnIn2S4 nanocomposites as efficient noble-metal-free photocatalyst for hydrogen evolution under visible light

The NiS/CQDs nanocomposite (CQDs represents carbon quantum dots), with a mass ratio of NiS/CQDs to be 1.19:1 based on the ICP result, was obtained via a facile hydrothermal method from a mixture of CQDs, Ni(OAc)₂ and Na₂S. The self-assembly of ZnIn₂S₄ microspheres on the surface of NiS/CQDs was realized under microwave conditions to obtain a ternary NiS/CQDs/ZnIn₂S₄ nanocomposite. The as-obtained NiS/CQDs/ZnIn₂S₄ nanocomposite was fully characterized, and its photocatalytic hydrogen evolution under visible light irradiation was investigated. The ternary NiS/CQDs/ZnIn₂S₄ nanocomposite showed superior photocatalytic activity for hydrogen evolution than ternary CQDs/NiS/ZnIn₂S₄, which was obtained by deposition of NiS in the preformed CQDs/ZnIn₂S₄. The superior photocatalytic performance of ternary NiS/CQDs/ZnIn₂S₄ is ascribed to the introduction of CQDs, which act as a bridge to promote the vectorial transfer of photo-generated electrons from ZnIn₂S₄ to NiS. This result suggests that the rational design and fabrication of ternary CQDs-based systems are important for the efficient photocatalytic hydrogen evolution. This study provides a strategy for developing highly efficient noble-metal-free photocatalysts for hydrogen evolution using CQDs as a bridge to promote the charge transfer in the nanocomposite.     

非金属光敏剂石墨烯量子点与磷化镍耦合用于可见光光催化制氢（英文）

利用光催化反应制取氢气是满足未来能源可持续利用的一个很有效的方法.然而,如何去开发和利用高效且稳定的非金属光催化剂用于产氢反应是目前所面临的一个巨大的挑战.最近,非金属纳米碳基材料由于其诸多优点而吸引了人们广泛的关注,比如价格低廉、环境友好和良好的稳定性等.另外,石墨烯量子点由于具有很好的水溶性、低毒性,良好的生物兼容性和很好的光学稳定性等优点而被当作是一种能够替代传统量子点的很有前途的材料.除此之外,石墨烯量子点的带隙还可以通过控制其颗粒大小和其表面所带的官能团来进行灵活调控.另一方面,金属磷化物(磷化镍、磷化钴等)已经被证实了是很好的水分解制氢的非贵金属助催化剂,它们可以加快光生电子和空穴的分离,从而提高光催化活性.本文利用非金属光敏剂石墨烯量子点与非贵金属助催化磷化镍进行耦合制备复合光催化剂,实现了在可见光照射下进行光催化制氢.在最优条件下,复合光催化剂的产氢速率为空白石墨烯量子点的94倍,甚至与在空白量子点上负载1.0wt%Pt的产氢速率相当.产氢速率的大幅度提升可能是由于在石墨烯的量子点和磷化镍之间形成了半导体–金属接触界面,从而更有效地促进了光生载流子的传输过程.石墨烯量子点本身有着很好的水溶性,从而利用机械搅拌的方法与磷化镍进行耦合,并在可见光下进行产氢反应.本文采用红外光谱(FTIR)、透射电镜(TEM)、紫外可见光谱(UV-Vis)和荧光光谱(PL)等表征手段研究了空白量子点表面所带的官能团、尺寸大小和光学性能.采用TEM和PL等表征手段来研究复合光催化剂的形貌和产氢性能提高的原因.对于空白量子点,FTIR结果表明,其表面带有–OH等官能团;TEM结果表明,它的尺寸大小大概在3.6±0.5 nm;UV-Vis结果表明,其在可见光区域有着很强的光吸收;PL结果表明,其在波长约为540 nm处有着很强的吸收峰,所对应的带隙约为2.3 eV.对于复合光催化剂,TEM测试结果表明石墨烯量子点在磷化镍上随机分布;从PL结果可见,复合光催化剂的荧光强度明显降低,说明了光生电子从量子点到磷化镍的有效转移,这也是光催化活性提高的重要原因     

类石墨碳修饰提高ZnO纳米棒阵列光催化活性和光稳定性的研究

半导体光催化是一种理想的太阳能化学转化绿色技术,可以实现水分解制氢和CO2光还原制备碳氢化合物燃料.氧化锌 (ZnO) 作为一种直接带隙半导体材料,一方面具有性能优异、价格低廉、易制备等优点; 另一方面因光腐蚀而不稳定,大大限制了该材料的实际应用.本文提出了一种简单易行的类石墨碳修饰方法,可以有效提高 ZnO 用于CO2光还原的光催化活性和稳定性.首先采用水热法在金属锌片基底上生长 ZnO 纳米棒阵列 (ZnO-NRA),然后通过葡萄糖水热法进行不同含量的类石墨碳 (C-x) 修饰,形成 ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构,同步实现碳包覆和碳掺杂.X 射线衍射结果表明,ZnO 纳米棒及ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构都具有良好的纤锌矿型 (Wurtzite) 结构; 而拉曼散射则清楚地证实了类石墨碳的存在.扫描电子显微观察显示,生长的 ZnO 纳米棒长度大约 2-5 μm,直径为 400-700 nm,沿方向[0001]生长,端部由六个规则的 (103)晶面组成,进一步直观佐证了 ZnO 的典型纤锌矿型结构特征.透射电子显微分析结果表明,ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构中类石墨碳包覆层厚度大约为 8 nm.ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构的 X 射线光电子谱分析结果验证了 C-C,C-O 和 C=O键的存在与碳的包覆层相对应; 而 C-O-Zn键的出现则是由于碳在 ZnO 中掺杂所引起.从紫外-可见吸收谱上可观察到ZnO 的典型吸收带边位置约为 385 nm,而碳的包覆和掺杂导致 ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构的吸收带边发生红移,并且吸收背底明显提高.电化学阻抗谱测试结果清楚地显示,ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构比单纯 ZnO-NRA 的电化学阻抗明显降低,说明类石墨碳包覆层大幅度提高了电导性能,从而有利于光生载流子的分离和传输.荧光分析结果也表明,与单纯的 ZnO-NRA 相比,ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构的荧光强度大幅度下降,进一步证实了 ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构比单纯的 ZnO-NRA更有利于光生载流子的分离和传输.光电化学测试结果表明,ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构的瞬态光电流 4 倍于单纯的ZnO-NRA,而 CO2 光还原性能测试也得到一致的结果.长时间多循环 CO2 光还原实验证实,ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构具有稳定的光催化活性和极好的光稳定性.综上,我们利用一种简单易行的水热法进行类石墨碳修饰,成功开发了 ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构,该结构因其优异的光生电子和空穴的分离和迁移性能,从而具有显著提升的CO2光还原活性和光稳定性.本工作证明,类石墨碳修饰是一种可以广泛借鉴的有效提升半导体材料光催化活性和光稳定性的可行方法.     

一种简单前驱体预处理策略制备多孔氮化碳和负载型多孔氮化碳及其高效可见光光催化活性

作为一种非金属半导体光催化剂,石墨相氮化碳(g-C3N4)已广泛应用于水中有机污染物去除、劈裂水产氢、二氧化碳还原制碳氢化合物燃料以及选择性氧化有机合成等许多光催化领域.然而,聚集态层状结构和粉末物理状态严重限制了g-C3N4在非均相光催化反应中的实际应用.一方面,g-C3N4的聚集态层状结构限制了光生载流子的表面迁移并增加了光催化反应的传质阻力.另一方面,由于附加的固-液分离步骤,粉体g-C3N4不便于实际应用.因此,为解决g-C3N4的上述缺点,一些研究已经进行并集中于g-C3N4的形貌控制合成及负载.构建多孔微观结构是合成具有优异光催化活性g-C3N4的有效途径之一.本文研究表明,盐酸或乙二醇预处理的三聚氰胺均可用作制备多孔g-C3N4的前驱体.有趣的是,由于在多孔g-C3N4制备体系中不同制孔单元的共存,与通过盐酸或乙二醇单独预处理的三聚氰胺制备的多孔g-C3N4相比,通过二者共同预处理的三聚氰胺制备的多孔g-C3N4具有更丰富的多孔微观结构.与制备负载型二氧化钛不同,由于在制备g-C3N4过程中缺少溶胶-凝胶步骤,因此负载型g-C3N4较难制备.而且,对于氟-锡氧化物(FTO)基底负载的g-C3N4,在实际应用中存在一些不足.首先,FTO基底的片状物理结构不利于反应底物的扩散.其次,FTO基底的吸光效应会导致光能损失,因此g-C3N4只能在FTO基底的单面负载.最后,在g-C3N4和FTO基底之间无化学作用,因此在光催化反应过程中不可避免造成g-C3N4的损失.因此,以盐酸/乙二醇共同预处理的三聚氰胺作原料,氢氟酸/3-氨基丙基三甲氧基硅烷共同预处理的石英棒作基底,首次制备了多孔g-C3N4和负载型多孔g-C3N4.丰富的多孔微观结构使得所制多孔g-C3N4具有优异的光催化活性;且由于多孔g-C3N4与石英棒基底间存在化学作用,因而具有相当高的稳定性.另外,由于在构建石英棒反应器之后不影响光生载流子的表面迁移和目标有机污染物的扩散,因此负载型多孔g-C3N4的光催化活性与粉体多孔g-C3N4相似.所制备多孔g-C3N4和负载型多孔g-C3N4的光催化活性通过在可见光条件下单组份有机废水的处理进行初步评价.在有机污染物降解同时产氢系统中,由于水和有机污染物之间的氧化还原反应难于进行,因此与传统的光催化降解和产氢系统相比,所制多孔g-C3N4的氢气产率和降解效率均显著降低;然而,在有机污染物降解同时产氢系统中,随着该材料光催化活性的提高,氢气产率和降解效率同时提高.这是因为光催化剂电子传递能力的提高促进了有机污染物和水之间的氧化还原反应.     

Simultaneous hydrogen and peroxide production by photocatalytic water splitting

Photocatalytic oxidation of water is a promising method to realize large-scale H₂O₂ production without a hazardous and energy-intensive process. In this study, we introduce a Pt/TiO₂(anatase) photocatalyst to construct a simple and environmentally friendly system to achieve simultaneous H₂ and H₂O₂ production. Both H₂ and H₂O₂ are high-value chemicals, and their separation is automatic. Even without the assistance of a sacrificial agent, the system can reach an efficiency of 7410 and 5096 μmol g^–1 h^–1 (first 1 h) for H₂ and H₂O₂, respectively, which is much higher than that of a commercial Pt/TiO₂(anatase) system that has a similar morphology. This exceptional activity is attributed to the more favorable two-electron oxidation of water to H₂O₂, compared with the four-electron oxidation of water to O₂.     

Gold/monolayer graphitic carbon nitride plasmonic photocatalyst for ultrafast electron transfer in solar-to-hydrogen energy conversion

Gold (Au) plasmonic nanoparticles were grown evenly on monolayer graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) nanosheets via a facile oil-bath method. The photocatalytic activity of the Au/monolayer g-C₃N₄ composites under visible light was evaluated by photocatalytic hydrogen evolution and environmental treatment. All of the Au/monolayer g-C₃N₄ composites showed better photocatalytic performance than that of monolayer g-C₃N₄ and the 1% Au/monolayer g-C₃N₄ composite displayed the highest photocatalytic hydrogen evolution rate of the samples. The remarkable photocatalytic activity was attributed largely to the successful introduction of Au plasmonic nanoparticles, which led to the surface plasmon resonance (SPR) effect. The SPR effect enhanced the efficiency of light harvesting and induced an efficient hot electron transfer process. The hot electrons were injected from the Au plasmonic nanoparticles into the conduction band of monolayer g-C₃N₄. Thus, the Au/monolayer g-C₃N₄ composites possessed higher migration and separation efficiencies and lower recombination probability of photogenerated electron-hole pairs than those of monolayer g-C₃N₄. A photocatalytic mechanism for the composites was also proposed.     

Interface-controlled synthesis of CeO2(111) and CeO2(100) and their structural transition on Pt(111)

Ceria-based catalytic materials are known for their crystal-face-dependent catalytic properties. To obtain a molecular-level understanding of their surface chemistry, controlled synthesis of ceria with well-defined surface structures is required. We have thus studied the growth of CeO_x nanostructures (NSs) and thin films on Pt(111). The strong metal-oxide interaction has often been invoked to explain catalytic processes over the Pt/CeO_x catalysts. However, the Pt-CeO_x interaction has not been understood at the atomic level. We show here that the interfacial interaction between Pt and ceria could indeed affect the surface structures of ceria, which could subsequently determine their catalytic chemistry. While ceria on Pt(111) typically exposes the CeO₂(111) surface, we found that the structures of ceria layers with a thickness of three layers or less are highly dynamic and dependent on the annealing temperatures, owing to the electronic interaction between Pt and CeO_x. A two-step kinetically limited growth procedure was used to prepare the ceria film that fully covers the Pt(111) substrate. For a ceria film of ~3–4 monolayer (ML) thickness on Pt(111), annealing in ultrahigh vacuum (UHV) at 1000 K results in a surface of CeO₂ (100), stabilized by a c-Ce₂O₃(100) buffer layer. Further oxidation at 900 K transforms the surface of the CeO₂(100) thin film into a hexagonal CeO₂(111) surface.     

原位光还原法制备高分散铂沉积多孔氮化碳复合材料及其降解水中4-氟苯酚的高效可见光光催化活性

作为一种新型水中有机污染物,有机氟化物中C–F共价键的键能较大,因而很难通过传统的可见光光催化剂降解.因此,开发高效可见光光催化剂是实现在可见光照射下成功降解水中有机氟化物的关键.作为一种非金属半导体光催化剂,石墨相氮化碳(g-C3N4)因具有可见光响应、环境友好及低成本等优点而广泛应用于水中有机污染物去除.然而,体相层状结构严重限制了g-C3N4的可见光活性.这是由于体相层状结构不利于光生电子的表面迁移,同时增加了光催化反应过程的传质阻力.为了开发一种可重复使用且具有优异可见光活性的光催化剂,进而实现在可见光照射下水中有机氟化物的高效降解及矿化,本文以氯铂酸和多孔氮化碳(pg-C3N4)为前驱体,运用简单的原位光还原法成功制备出一系列高分散铂沉积多孔氮化碳复合材料(Pt/pg-C3N4),而pg-C3N4则是以三聚氰胺为原料采用前驱体预处理法制备.与传统铂沉积石墨相氮化碳(Pt/g-C3N4)复合材料相比,由于多孔氮化碳前驱体具有暴露的几何内外表面,铂纳米粒子可高度分散于其上.因此,铂纳米粒子的电子捕获效应显著增强.另外,与其他传统还原法相比,原位光还原技术还可有效抑制铂纳米粒子的自凝聚.我们对制备的Pt/pg-C3N4复合材料的形貌、孔隙率、相结构、化学组成及光电性质进行了详细表征.结果显示,与传统Pt/g-C3N4复合材料相比,由于多孔微观结构的构建以及高度分散铂纳米粒子的沉积,制备的Pt/pg-C3N4复合材料的BET比表面积显著增大,光吸收能力明显增强,光催化量子效率显著提高.在可见光条件下,初步评价了该复合材料光催化降解水中偶氮染料甲基橙的活性,然后将其进一步应用于水中4-氟苯酚的降解及矿化.结果表明,由于多孔微观结构的构建以及高度分散铂纳米粒子的沉积,所制备Pt/pg-C3N4复合材料具有相当高的可见光光催化活性.结果还显示,所制复合材料具有很高的稳定性,连续使用4次均保持相似的活性.作为一种可见光催化剂,所制Pt/pg-C3N4复合材料有望广泛应用于水中持久性有机污染物的降解以及光催化劈裂水产氢、NO分解和CO2还原等领域.     

Ho改性的Mn-Ce/TiO2催化剂低温脱硝性能的评价和表征

作为引起酸雨、光化学烟雾、雾霾等大气污染问题的主要根源,氮氧化物(NOx)的防治已成为亟待解决的问题.选择性催化还原技术作为最成熟有效的脱硝技术,目前已经被广泛应用于各燃煤电厂.低温脱硝催化剂具有优秀的低温活性,使得脱硝装置可以安放在脱硫装置和除尘装置下游,受到了学者广泛的研究.目前低温脱硝催化剂的研究主要是对催化剂进行改性以提高催化剂的性能,已有许多研究报道了Sn、Ni、Co、Zr、Cr、Ni等对催化剂的改性影响.Ho作为一种改性元素被应用于光催化领域,能提高TiO2的光催化能力.但Ho应用于脱硝领域的研究鲜有报道,其氧化物具有酸性位点有助于脱硝反应,因此研究Ho对低温SCR催化剂的改性作用具有重要意义.本文采用浸渍法制备Ho掺杂的Mn-Ce/TiO2催化剂,研究了Ho的掺杂对于Mn-Ce/TiO2催化剂低温脱硝性能的影响,同时还研究了烟气中的SO2和H2O对催化剂活性的影响,并利用XPS、XRD、H2-TPR、NH3-TPD等表征方法从物理性质和化学性质两方面对Ho改性的影响机理进行了研究.研究发现,Ho的掺杂能提高Mn-Ce/TiO2催化剂的脱硝能力,有助于催化剂N2选择性的提高.分析表明,Ho的掺杂有助于催化剂比表面积的提升,且能提高催化剂的酸性,有利于催化剂对NH3的吸附,从而提高催化剂的性能.XPS表征结果表明Ho掺杂后的催化剂具有更高的化学吸附氧浓度和较高的Mn4+/Mn3+比例, 使得脱硝反应更容易进行.改性后催化剂的抗水抗硫实验结果表明,Ho的掺杂能够提高催化剂的抗水抗硫性能.XRD结果表明,抗水抗硫实验后催化剂表面形成了硫酸铵盐,硫酸铵盐的形成会堵塞催化剂表面的活性位,限制脱硝反应的进行,从而影响催化剂的脱硝活性.同时,400°C下进行再生实验后的催化剂活性有所恢复,但是未能达到抗水抗硫实验前的活性,表明在抗水抗硫实验中催化剂表面形成了除硫酸铵盐以外的其他硫酸盐类.结合XPS和XRD表征结果,推断生成的盐类物质为硫酸锰和硫酸铈,从而导致再生后的催化剂的脱硝活性无法恢复到最初的活性水平.由此可以看出,硫酸盐的形成是催化剂在含硫气氛中失活的主要原因.